Edy Winarno 1

ARSITEKTUR DANORGANISASI KOMPUTER

TEKNIK INFORMATIKAUNISBANK SEMARANG

Edy Winarno 2

Buku Pegangan

1. Computer Architecture, a Quantitative Approach, 2nd Edition,John L. Hennessy, David A Patterson,Morgan Kaufmann Publisher Inc., 1996

2. Computer Organization, fourth edition,V. Carl Hamacher-Zvonko G.Vranesic-Safwat G. Zaky, Mc Graw Hill International Edition, 1996

Edy Winarno 3

Bagaimana cara kerja sebuah sistem komputer

Bagaimana analisis kinerja sebuah sistem komputer

Aspek arsitektural yang berpengaruh pada kinerjakomputer

Interaksi antara hardware dan software

Edy Winarno 4

(1) 3 ; 4.1(2) 7.1 - 7

- Konsep Dasar- Pipeline Hazard- Keparalelan Level

Instruksi

IV Pipelining5 & 6

(1) 2.1-5(2) 2.1-4

- Klasifikasi Arsitektur- Pengalamatan- Tipe Operasi- Tipe Operand

III Instruction Set3 & 4

(1)(2) 3.1 -2

- Struktur CPU- Eksekusi Instruksi

II CPU2

(1) I.1-5(2) I.1-3

- Definisi Arsitektur danOrganisasi Komputer

- Perkembangan SistemArsitektur Komputer

- Struktur Dasar- Pengukuran Kinerja

I Pendahuluan1

BacaanMateriTopikMingguke

Edy Winarno 5

(1) 8(2) 10.1 - 6

- Struktur Paralel- Jaringan Interkoneksi

VII Sistem Kom-puter Paralel

13

(1) 5(2) 5

V.2 Pengingat CacheV Sistem Pengingat(lanjutan)

9

V.1 Pengingat HierarkisV Sistem Pengingat8

V.3 Pengingat VirtualV Sistem Pengingat(lanjutan)

10

(1) 8(2) 10.1 - 6

- Shared Memory Multi-prosesor

- Message Passing Multi-processor

VII Sistem Kom-puter Paralel

14 & 15

(1) 6(2) 4.1 – 4 ; 9

-Teknik teknik I/O- Bus

VI Sistem I/O11 & 12

Materi Minggu 1 s/d 7Ujian TengahSemester

7

Edy Winarno 6

I PENDAHULUANApakah Arsitektur Komputer itu ?

Arsitektur komputer adalah atribut atribut sebuah sistem komputer, dilihatdari sudut pandang seorang programmer.

struktur konseptual dan perilaku fungsional sistem komputer.

Struktur konseptual menyangkut bagaimana komponen komponentersebut disalinghubungkan (diinterkoneksikan).

Perilaku fungsional (fungsional behaviour ) menyangkut fungsikomponen2 secara individual, dan sebagai bagian dari struktur(aliran informasi dan kendali antar komponen2 dalam struktur).

Edy Winarno 7

ORGANISASI KOMPUTERadalah implementasi arsitektur komputer secara fisik,bagaimana mewujudkan arsitektur komputer secara perangkat keras

4bitADDER

A

B

S

cout

4bit 4bit

4bit

arsitektur

organisasi

contoh 1: Adder cadd

Edy Winarno 8

contoh 2 : pipeline instruksi

IF ID EX Mem WB

arsitektur

organisasi

Edy Winarno 9

Edy Winarno 10

Tantangan :Adanya berbagai variasi produk (teknologi, harga, unjuk kerja,ukuran, aplikasi)

Fakta : konsep-konsep dasar arsitektur komputer tidak banyakberubah !

Konsep Dasar : Konsep Von Neumann (1943)Konsep ”Stored Program Computer” = Mesin yang melakukankomputasi berdasarkan pada program yang tersimpan didalamnya.

CPU

Memory

I/O

Program+ data

Memory

Program+ data

(1)

(2)

Arsitekturvon Neumann

Edy Winarno 11

Memory : Menyimpan program dan data

ALU : Mengerjakan operasi operasi Aritmatik (Add, subtract, …) dan Logika

Control : Mengkoordinasikan operasi operasi ALU, Memory dan I/O, sesuai

dengan yang diinginkan oleh program.

Input : Memasukkan program dan data dari luar komputer

Output : Mengeluarkan hasil komputasi komputer

ALU

I/O

Program

Data

Komponen DasarSistem Komputer

Edy Winarno 12

• level-level diskripsisistem komputer

Physical level

Digital circuits

Computerorganization

Instruction set

OperatingSystem Compilers

Applications

Lw r1,32(r0)Add r2,r1,#10Sw 32(r0),r2

beginread(a)a := a+1;writeln(a);

end;

Software

Hardware

Arsitektur &OrganisasiKomputer

Sebagai interface antara software dan hardware

Edy Winarno 13

Perkembangan Sistem Komputer

1946: ENIAC Stored Program Computer pertama50 x 30 feet, 30 Ton, 25 kWatt, 100 k Kalkulasi/detik

200_ : Komputer meja (PC),PDA, Bionic, …

- Penurunan : (1) Ukuran fisik(tabung transistor IC

(2) Biaya

- Peningkatan (1) Kapasitas memory(2) Kinerja (kecepatan)

1960: Main frameComputer

1970: Mini Computer

1980: Mikrokomputer

Produk utama: PC, workstation. Mainframe digantikan multiprosesor.

Minicomputer digantikan server.

optimalisasikinerja - biaya

Edy Winarno 14

Generasi Komputer berdasarkan teknologinya

• Vacuum tube - 1946-1957

• Transistor - 1958-1964

• Small Scale Integration, 1965 (100 transistor/chip)

• Medium Scale Integration, s/d 1971 (100-3000transistor/chip)

• Large Scale Integration, 1971-1977 (3000-100 000transistor/chip)

• Very Large Scale Integration, 1978 – sekarang

(100 000 – 100 000 000 transistor/chip)

• Ultra Large Scale Integration > 100 000 000 transistor/chip

IC

Edy Winarno 15

Multicore

Edy Winarno 16

Tran

sist

ors

/ chi

p10G10G

1G1G

100M

10M10M

1M1M

100K

10K

1K1K1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005

Memory(DRAM)

Microprocessor4 Kb16 Kb

64 Kb

256 Kb

1 Mb4 Mb

16 Mb

64 Mb

256 Mb1 Gb

4 Gb

40048080

80858086

6800080286

68020

8038680486,680

Pentium®

PII®

PIII®

PentiumIV

Edy Winarno 17

PendekatanSoftware Efisiensi program

(algoritma), strukturdata

PendekatanTeknologis/hardware

Penggunaankomponen2 ICkecepatan tinggi,

PendekatanArsitektural Peningkatan aspek

fungsional dan struk-tural

Peningkatankinerja

Contoh :- Arsitektur Instruction set- Struktur pipeline dalam CPU- Pengingat cache- Memory interleaving- Struktur Bus- Prosesor paralel

Arsitektur

teknologi/hardware

software

Peningkatan Kinerja Komputer

Edy Winarno 18

Komponen komponen Dasar Sistem Komputer

MainMemory

InputOutput

Interconnection

CentralProcessingUnit

Computer

Pengembangan Arsitektural pada :

CPUpipeline, co-procesor, vector-processor, . . .

Memorycache, pengingat interleave, . . .

I/OI/O controller, I/O processor, . . .

InterkoneksiBus, multi-bus, multi-level bus,

Edy Winarno 19

Evolusi Pentium (1)• 8080

– first general purpose microprocessor– 8 bit data path– Used in first personal computer – Altair

• 8086– much more powerful– 16 bit– instruction cache, prefetch few instructions– 8088 (8 bit external bus) used in first IBM PC

• 80286– 16 Mbyte memory addressable– up from 1Mb

• 80386– 32 bit– Support for multitasking

Edy Winarno 20

• 80486

– sophisticated powerful cache and instruction pipelining

– built in maths co-processor

• Pentium

– Superscalar

– Multiple instructions executed in parallel

• Pentium Pro

– Increased superscalar organization

– Aggressive register renaming

– branch prediction

– data flow analysis

– speculative execution

Evolusi Pentium (2)

Edy Winarno 21

• Pentium II

– MMX technology

– graphics, video & audio processing

• Pentium III

– Additional floating point instructions for 3D graphics

• Pentium 4

– Further floating point and multimedia enhancements

• Itanium

– 64 bit

• Multicore

– Multiprocessor

Evolusi Pentium (3)

Edy Winarno 22

CPU

I/O Unit

Main Memory

ALU

ControlUnit

I/O device I/O device I/O device

Peripheral

Sistem Bus

Lima komponenutama :1. ALU2. Control unit3. Memory4. Input5. Output

CPU

Arsitektur berbasiskan Bus

STRUKTUR DASAR

Edy Winarno 23

CPU (Central Processing Unit)Bagian sistem komputer yang bertugas mengeksekusi program.

Komponen utama CPU :(1) ALU (Arithmetic and Logic Unit)

Mengerjakan operasi operasi aritmatik dan operasi operasi logika

terhadap data.Operasi aritmatik : add, subtract, multiply, divide,...

Operasi Logika : AND, OR, NOT, Shift, ...(2) Control unit

Mengendalikan seluruh operasi didalam komputer, dengan

- Menginterpretasikan instruksi instruksi yangterdapat didalam program,

- Membangkitkan sinyal sinyal kendali untuk mengen-dalikan aktifitas komponen komponen sistem komputer

eksekusiinstruksi

Edy Winarno 24

(Main) Memory UnitBagian komputer yang menyimpan program dan data yang sedangatau siap dieksekusi oleh CPU.

Jenis Main Memory :1. Random Access Memory (RAM) atau Read Write Memory (RWM)

Isi memory dapat dibaca (read) dan diubah (write) secara online.

AddressDecoder

0123456

2n

n bit

data

address

2. Read Only Memory (ROM)Isi memory hanya dapatdibaca pada saat online.Penulisan dilakukan padasaat off-line (diluar operasikomputer)

Edy Winarno 25

Input/Output UnitBagian komputer yang bertugas menangani komunikasi denganpiranti piranti diluar sistem komputer (periferal)

Format data masuk/keluar :- Bit Serial- Bit Paralel

Modul I/OParalel

Modul I/OSerial

bit paralel

bits serial

bit paralel

Bus Sistem

CPU

MU

0 1 1 ... 0 ...1 0 0 ... 1 ...

:1 1 0 ... 0 ...

Peripheral Devices

0 1 1 ... 0 ...

Edy Winarno 26

CPU

MU

Diskcontroller

Graphicscard

Soundcard

Networkcard

Monitor

Speakers

bus sistem

Computer

Ports

Printer

Mouse

Keyboard

Modem

SistemKomputer

peripheral

I/O Unit

Edy Winarno 27

Kinerja (Performance)

Perspektif pemakai :

Dihadapkan pada berbagai produk, pertanyaannya “produk manayang memiliki kinerja terbaik? Rasio kinerja/harga ?”

Perspektif perancang :

Dihadapkan pada berbagai alternatif rancangan, pertanyaannya“rancangan mana yang akan memberikan peningkatan kinerjaterbaik? kinerja/harga terbaik ?”

Untuk menjawab pertanyaan tersebut dibutuhkan

dasar untuk pembandingan ukuran untuk evaluasi (metriks)

Edy Winarno 28

Kinerja sebuah sistem komputer dapat diukur berdasarkan :

Latency-nya (disebut juga response-time atau execution-time)Latency adalah waktu yang dibutuhkan oleh komputer tersebut untukmengeksekusi sebuah program, misalkan program x.

Throughput-nyaBanyaknya program x yang dapat dieksekusi oleh komputer tersebut (dalamsatu satuan waktu).

prosesor

prosesor 1

prosesor 2

program x

program xdata x

data x1

data x2

Bila latency program x = , maka throughput komputer A = 1/,

throughput komputer B = 2/

komputer A komputer B

Edy Winarno 29

Definisi “waktu-eksekusi” (atau latency)Definisi 1 :Waktu-eksekusi adalah waktu total yang dibutuhkan oleh komputer untukmengeksekusi sebuah program , dari start sampai selesai,(termasuk akses ke disk, memory, operasi operasi I/O, waktu yangdigunakan oleh OS, . . . .)

dalam lingkungan multiprogramming, termasuk juga waktu yang digunakanuntuk mengeksekusi program lain

I/O routineBag Prog1Bag Progr1Bag Progr1

I/O routineI/O routine

Bag Progr1Bag Progr1Bag Progr1

t

mulai Progr 1 selesai Progr 1

t

Edy Winarno 30

Definisi CPU time :CPU time adalah waktu yang dibutuhkan oleh CPU untuk mengeksekusisebuah program, dengan asumsi CPU hanya mengeksekusi programterebut.Waktu ini disebut “CPU execution time” atau “CPU time ”

I/O routineBag Progr1Bag Progr1Bag Progr1

I/O routineI/O routine

CPU-time = a + b + c

Sering dibagi menjadi “system CPU time” (waktu yang digunakanuntuk eksekusi program program OS) dan “user CPU time” (waktuyang digunakan untuk eksekusi program program user)

“CPU time” digunakan untuk mengukur kinerja CPU (prosesor)

t

a b c

Edy Winarno 31

Waktu-eksekusi

CPU-time : System-time + User-time

waktu yang dibutuhkan oleh cpu waktu yang dibutuhkan oleh cpuuntuk eksekusi program sistem untuk eksekusi program user

CPU-time = jumlah CPU clock-cycle x periode clock

Edy Winarno 32

CPU-time = CPU Clock Cycles x Clock Cycle Time

Jumlah clock cycle yang dibutuhkan CPUuntuk mengeksekusi program

Periode clock Tclock

selesaiProgrPeriode Tclock

Sinyal clock

StartProgr

t

CPU Clock Cycles= -----------------

Clock Rate fclock = 1/Tclock

Edy Winarno 33

– 500MHz P-III : clock rate = 500M cycles/sec,1 clock cycle time = 2ns

– 2GHz P-IV : clock rate = 2G cycles/sec,1 clock cycle time = 0.5ns

CPU Clock Cycles

= Jumlah instruksi didalam program x clock cycles rata-rata per instruksi

CPICPU time = Jumlah instruksi dalam program x CPI x Clock Cycle Time

jumlah instruksi jumlah cycles detikCPU time = X X

program instruksi cycle

Edy Winarno 34

Clock-cycles per Instruction (CPI)

Untuk eksekusi sebuah program,

jumlah clock-cycle CPU = Jumlah instruksi dalam program x clock-cycles rata rata sebuah instruksi

= Jumlah instruksi dalam program x CPI

Edy Winarno 35

Perhitungan CPI :

CPI = (cycles per tipe instruksi x frekuensi kemunculan tipe tersebutdalam program)

0,3010%3Store0,4020%2Branch

2,2CPI :

1,0020%5Load

0,5050%1ALU

cycles x frekuensikemunculan

frekuensi kemunculanper tipe

cyclesper tipe

tipeinstruksi

Edy Winarno 36

MIPS (Millions of Instruction Per Second)Jumlah instruksi dalam program x 10 -6

MIPS =

jumlah instruksi dalam program x clock rate x 106

=jumlah instruksi dalam program x CPI

MFLOPSJumlah instruksi floating-pointdalam program x 10-6

MFLOPS =

Ukuran lain

waktu eksekusi

waktu eksekusi

Edy Winarno 37

Pengujian :

Dengan mengeksekusi

Program tertentu, misal program perkalian matriks, program persamaanlinear, ...

Program standard (benchmark), misal program program SPEC (SystemPerformance and Evaluation Cooperative), SPECINT, SPECFP, SPEC92,SPEC95int, SPEC95fp, ...

Edy Winarno 38

Kinerja CPU = 1 / CPU time

Perbandingan kinerja komputer x dengan komputer y

n = kinerja x / kinerja y = CPU timex / CPU timey

Pembandingan Kinerja

Edy Winarno 39

Hukum Amdahl

Dampak peningkatan kinerja sebuah sistem dibatasi oleh seberapa bagiandari komponen komponen sistem yang tidak ditingkatkan

Peningkatan kinerja satu bagian dari sistem sebesar n kali tidak otomatisakan meningkatkan kinerja sistem (secara keseluruhan) sebesar n kali.

Contoh : Sebuah program menghabiskan 40% waktu untuk kegiatan CPU,60% waktu untuk kegiatan I/O.Bila program yang sama dieksekusi menggunakan prosesor yangkecepatannya 10x kecepatan prosesor lama, maka waktueksekusinya tidak akan berkurang menjadi 1/10 kalinya.

Edy Winarno 40

Amdahl’s Law Equations

Wkt-eksekusinew = Wkt-eksekusiold x (1 – Fraksienhanced) +Fraksienhanced

Speedupenhanced

Speedupoverall =Wkt-eksekusioldWkt-eksekusinew

=

(1 – Fraksienhanced) +Fraksienhanced

Speedupenhanced

1